測溫型NTC熱敏電阻可靠性問題探索

關鍵詞：NTC 熱敏電阻失效；防水；離子遷移；焊錫污染；膨脹系數

中圖分類號：TN372；O474 文獻標識碼：A

0 引言

在溫控系統中，負溫度系數（negative temperaturecoefficient，NTC）熱敏電阻器是一個重要的元件，用于檢測環境溫度，并轉化為電信號傳輸給中央處理器（central processing unit，CPU）。CPU 根據這些信號調整設備的運行狀態。當NTC 出現故障時，溫度檢測數據會出現偏移[1]。例如，在被測環境為25℃ 時，設備檢測的顯示溫度卻高達50℃，這可能導致設備誤報故障，降低用戶的體驗。為了解決這一問題，本文對不同封裝和不同模式失效的熱敏電阻進行了深入調查和分析。

通過使用多種分析方法，詳細研究了NTC 熱敏電阻在不同環境下的工作特性、生產工藝、加工制作、設計選型等，還成功復現了市場主流的故障模式，并針對實驗中發現的問題提出了相應的改善方案。這些研究結果有助于提高NTC 熱敏電阻在各種嚴苛環境下的工作性能穩定性，為相關行業的持續發展提供有力支持。

在溫控系統中，NTC 熱敏電阻是核心元件，其性能和可靠性至關重要。對于批量故障的NTC，深入調查和分析是必要的[2]。通過了解NTC 熱敏電阻在不同封裝和不同模式下的工作特性，以及各種影響因素，可以優化其生產工藝和設計選型，提高其性能和可靠性。這不僅可以解決現有問題，還可以為相關產品的設計和開發提供寶貴的經驗。

1 焊片式環氧封裝NTC熱敏電阻失效原因分析

1.1 NTC 熱敏電阻失效品測試

NTC 熱敏電阻阻值存在偏移，正常值約為100 kΩ，故障時的阻值為3 kΩ，部分甚至表現為0.1 kΩ。將故障NTC 熱敏電阻與正常品進行調換，使用后再次出現故障現象，鎖定故障點為熱敏電阻問題。

1.2 解剖分析

對多個失效樣品進行開封， 便于觀察晶圓表面是否存在其他物質導致阻值偏移。本文使用電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（scanning electronmicroscope，SEM）對故障點進行分析，發現故障品存在離子遷移、錫渣污染和剪腳破損等3 類問題。其中，離子遷移問題最為突出，占總故障的90%。

1.2.1 離子遷移

在解剖故障NTC 熱敏電阻時，發現晶圓芯子上出現明顯的白色晶枝，晶枝上有明顯的生長痕跡，這是電遷移的典型特征。經過能譜儀（energydispersive spectrometer，EDS）成分分析，晶枝中54% 的成分為Ag+，確認為離子遷移問題。離子遷移是直流電路設計中必須考慮的問題。在直流電作用下，帶有離子的電解質會在電極作用下分別向陰極和陽極集中。由于金屬離子帶正電荷，它們會向陰極集中，最終形成通路，導致短路。這種現象被稱為電遷移。為了調查離子遷移的來源，需要進一步研究離子和電遷移的特性。

1.2.2 錫渣污染

在解剖故障品時，發現半導體芯子部位存在明顯的錫渣。錫渣的高度超過了芯子高度的50%，雖然沒有導致短路，但對芯子性能產生了影響。錫渣來源于晶圓浸錫過程，在工藝上需要優化清洗技術，加強過程管控和改進措施。

1.2.3 剪腳破損

觀察部分設備的解剖情況，發現在NTC 熱敏電阻組裝剪腳過程中出現了剝落現象。剪腳是印刷電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）常見的工藝步驟，用于分立元件插裝焊接后的引腳處理。如果引腳長度過長，容易造成短路。此外，在剪腳過程中，需要考慮引腳可能受到損傷的問題。

1.3 電鏡分析

對NTC 熱敏電阻芯子進行解剖掃描，發現晶枝的主要成分為Ag+，占比達到54%。Ag+ 具有良好的導電能力，其主要來源于NTC 熱敏電阻芯子兩面的Ag 鍍層。電解液是由空調運行過程中產生的冷凝水所提供。冷凝水侵入電阻體內部，與Ag 接觸后形成電解質，并在電極作用下發生電泳現象，最終導致熱敏電阻失效。解決這一問題的關鍵在于采取有效的防潮措施。因此需要從外部結構和環氧材料兩個方面進行研究，以隔絕潮濕環境對電阻體的影響，從而有效控制NTC 熱敏電阻失效問題的發生。

1.4 使用年限與遷移現象的關系

在出現電遷移問題后，對歷年使用過的NTC熱敏電阻進行排查。結果顯示，使用過的熱敏電阻均出現了電遷移現象。隨著使用時間的增加，離子遷移的面積逐漸增大，但在使用約2 年后，遷移面積的增長基本趨于穩定。研究表明，在熱敏電阻的使用過程中，電遷移是一個持續且逐步發展的過程，其影響范圍和使用年限有一定關聯。

1.5 助焊劑殘留對焊接的影響

如圖1 所示，通過觀察解剖后的故障NTC 熱敏電阻晶圓發現，故障晶圓表面出現明顯銀遷移區域，在遷移聚集區使用SEM 做成分測試，研究人員發現聚集區周圍存在Br- 殘留。Br- 是一種水溶性助焊劑成分，通常用于焊接NTC 熱敏電阻引線。在焊接過程中，助焊劑被用來輔助焊接，但在焊接完成后，應該進行清洗以去除殘留的助焊劑。在故障件中，這些集中的Br- 表明助焊劑沒有被完全清洗，這加劇了電遷移現象。

為了進一步驗證該發現，本文進行了一項復現實驗。在實驗中，將助焊劑殘留在晶圓表面，同時增加了相應濕度條件下的通電老化環節。在120 h 后，研究人員發現在晶圓表面助焊劑殘留的區域出現了明顯的遷移現象和典型的晶枝生長情況。這一模擬故障現象（圖2）與市場上的問題一致，進一步證實了水溶性助焊劑殘留是導致電遷移的重要原因。

為了更深入地了解電遷移現象，使用飛行時間二次離子質譜儀（time of flight secondary ion massspectrometry，TOF-SIMS）技術測試了表面無明顯助焊劑殘留的故障件。通過檢測其淺表層的情況，發現故障件中確實存在Cl-、Br- 殘留。通過這些殘留的助焊劑成分測試到了對應的官能團，因此進一步證實了水溶性助焊劑殘留是電遷移的重要原因。

綜上，水溶性助焊劑殘留是導致NTC 熱敏電阻出現電遷移現象的關鍵因素之一。為了解決該問題，必須確保在焊接和清洗過程中完全去除殘留的助焊劑，并加強對生產過程的控制和管理。同時，對相關行業進行技術指導和培訓，以確保產品的質量和可靠性。

2 玻璃體封裝工藝NTC熱敏電阻失效原因分析

2.1 故障檢測排查

對正常NTC 熱敏電阻進行了常溫測試，測得阻值為100 kΩ。故障NTC 熱敏電阻的測試結果顯示，其阻值僅為0.5 kΩ。通過外觀檢查發現負極處引腳有明顯氧化痕跡，如圖3 所示，因此需要進一步排查原因。

2.2 材質排查

玻封熱敏電阻引腳材質為銅線材，同時使用銅線材作為引線和玻璃體封裝。采用杜鎂絲工藝進行焊接，完成玻璃體熱敏電阻封裝，杜鎂絲的膨脹系數與玻璃非常接近，因此常被用作金屬和玻璃之間的連接材料。在故障品中，發現杜鎂絲與玻璃之間的熔接處出現了發黑氧化的現象。為了查明原因，需要進行環境實驗來復現這一問題。

2.3 水煮實驗

取10 只樣品進行水煮實驗，分別在95℃ 的5% NaCl 溶液中煮6 h。實驗結果顯示，9 只樣品的玻璃管發生破裂。NTC 熱敏電阻封裝引腳為銅絲，其膨脹系數約為16.5×10?6/℃。不同材質的玻璃，其膨脹系數在7.8×10?7 ～ 50×10?7/℃，部分玻璃的膨脹系數小于銅絲的膨脹系數，因此在水煮實驗中玻璃管會發生脹裂。

2.4 高溫通電浴水

為了避免水煮實驗中過高溫度導致玻璃管破裂問題，對玻璃管NTC 熱敏電阻進行高溫浴水實驗。高溫浴水實驗條件為在85℃ 下，對5 個熱敏電阻通電浴水72 h。實驗后發現，NTC 熱敏電阻的杜鎂絲完好，沒有腐蝕痕跡，這與售后故障現象不一致，因此排除了高溫失效的原因。

2.5 低溫通電浴水

由于低溫環境下使用NTC 熱敏電阻可能出現故障，因此開展低溫通電浴水實驗。實驗條件為取5 個NTC 熱敏電阻在5℃ 的水溫下，通電浴水72 h。實驗發現，NTC 熱敏電阻的杜鎂絲發生了腐蝕現象且主要集中在負極，如圖4 所示。腐蝕比例達到100%，其中2 個樣品的阻值出現偏移，正常情況下應為100 kΩ，但實際測量值為0.9 kΩ，該現象與市場上的故障情況一致。

3 結語與展望

通過對NTC 熱敏電阻在不同溫度和環境條件下進行實驗，發現因結構設計和工藝特性不同，焊片工藝NTC 熱敏電阻是由于水侵入和助焊劑污染導致的遷移故障；玻封NTC 熱敏電阻故障是由于低溫對熱敏電阻材料膨脹系數的影響，在低溫浴水過程中，水汽通過低溫產生不同材料間的焊接縫隙，影響NTC 的可靠性。在兩種工藝下，NTC 熱敏電阻的可靠性提升方式均需要控制水的影響。

整改方向應聚焦于防水設計：無論是環氧結構還是玻璃體結構的NTC 熱敏電阻，都應該進行防水設計。通過使用增加環氧防水材料、阻隔水進入晶圓、切斷電腐蝕的產生條件，以及采用NTC 熱敏電阻外部防水結構設計等措施，可以提高產品的可靠性和穩定性。

通過實施整改措施，能夠提高NTC 的可靠性和穩定性，從而避免檢測溫度異常情況的發生。同時，這些方向也為從業者在NTC 熱敏電阻的選型、使用、工藝控制、過程防護和市場問題應對等方面提供參考依據。未來將繼續關注行業動態和技術發展，不斷完善和優化產品，以滿足客戶的需求和市場變化[3]。

目前國標、行標均對NTC 熱敏電阻的高溫實驗進行要求，但關于低溫浴水通電實驗項目，均未形成正式的國標、行標。本文利用低溫通電浴水測試探究的熱膨脹系數對玻封NTC 的可靠性影響具有重要意義，對NTC 熱敏電阻可靠性設計有較大的參考價值。